用U-BOOT构建嵌入式系统的引导装载程序

摘 要：BootLoader(引导装载程序)是嵌入式系统软件开发的第一个环节，它把操作系统和硬件平台衔接在一起，对于嵌入式系统的后续软件开发十分重要，在整个开发中也占有相当大的比例。U-BOOT是当前比较流行、功能强大的BootLoader，可以支持多种体系结构。LH7A400是Sharp公司生产的一款基于ARM922T内核的32位RISC芯片，本文详细介绍U-BOOT的功能、特点以及在LH7A400处理器上的移植过程。

关键词：BootLoader U-BOOT移植 LH7A400 ARM922T

引 言：

　　本文以U-BOOT为例，介绍了如何在ARM9开发板上移植BootLoader的过程。LH7A400学习板是旋极公司推出的一款高性能嵌入式开发板，其采用的处理器LH7A400是Sharp公司生产的一款基于ARM922T内核的32位RISC芯片。该芯片集成了高性能的32位RISC处理器核ARM922T(运算速度200MHz，总线速度100MHz) ，能使处理速度达到每秒220百万条指令(MIPS)，能耗为1.33mW/MIPS，可以在低电压状态下工作(核心1.8V，输入/输出3.3 V)，片内带有锁相回路(PLL)和低能耗核心。此外该芯片还包括: 16KB 高速缓存(Cache)， 存储器管理单元(MMU)， 80KB 静态存储器(SRAM)， 彩色液晶显示控制器(LCD)， 直接存储控制器(10通道DMA)， 异步串行口控制器(UART)， 同步串行口控制器(SSP)， PCMCIA控制器， AC97声音控制器， 智能卡控制器， 多媒体卡控制器， 电池控制器， USB控制器和时钟/供电管理器。值得一提的是，LH7A400是一款宽温芯片，其工作温度范围为-40℃～+85℃(降低时钟频率)，可广泛应用于无线手持设备、智能电话、PDA、家庭娱乐控制器、PocketPC及各种工控设备。
该学习板还包括如下硬件：由2片16位Flash (32MB)和2片16位的SDRAM(64M)构成32位宽的高速存储器结构；10/100M自适应网络芯片DM9000；Sharp 3.5’TFT LCD彩屏；触摸屏；USB Host/Device；CF卡插槽；全功能JTAG接口等。

1 U-BOOT简介

　　U-BOOT是由德国的工程师Wolfgang Denk从8XXROM代码发展而来的，它支持很多处理器，比如PowerPC、ARM、MIPS和x86。目前，U-BOOT源代码在sourceforge网站的社区服务器中，Internet上有一群自由开发人员对其进行维护和开发。U-BOOT的最新版本源代码可以在Sourceforge的CVS服务器中匿名获得。
#cvs -d:pserver:anonymous@cvs.sourceforge.net:/cvsroot/U-BOOT login
#cvs -z6 -d:pserver:anonymous@cvs.sourceforge.net:/cvsroot/U-BOOT \ co -P modulename

1.1 U-BOOT源代码目录结构

◆ board：和一些已有开发板有关的文件，比如Makefile和u-boot.lds等都和具体开发板的硬件和地址分配有关。
◆ common：与体系结构无关的文件，实现各种命令的C文件。
◆ cpu：CPU相关文件，其中的子目录都是以U-BOOT所支持的CPU为名，比如有子目录arm926ejs、mips、mpc8260和nios等，每个特定的子目录中都包括cpu.c和interrupt.c，start.S。其中cpu.c初始化CPU、设置指令Cache和数据Cache等；interrupt.c设置系统的各种中断和异常，比如快速中断、开关中断、时钟中断、软件中断、预取中止和未定义指令等；start.S是U-BOOT启动时执行的第一个文件，它主要是设置系统堆栈和工作方式，为进入C程序奠定基础。
◆ disk：disk驱动的分区处理代码。
◆ doc：文档。
◆ drivers：通用设备驱动程序，比如各种网卡、支持CFI的Flash、串口和USB总线等。
◆fs:支持文件系统的文件，U-BOOT现在支持cramfs、fat、fdos、jffs2和registerfs。
◆ include：头文件，还有对各种硬件平台支持的汇编文件，系统的配置文件和对文件系统支持的文件。
◆ net：与网络有关的代码，BOOTP协议、TFTP协议、RARP协议和NFS文件系统的实现。
◆ lib_arm：与ARM体系结构相关的代码。
◆ tools：创建S-Record格式文件 和U-BOOT images的工具。

1.2 U-BOOT的特点

　　U-BOOT支持SCC/FEC以太网、OOTP/TFTP引导、IP和MAC的预置功能，这一点和其它BootLoader(如BLOB和RedBoot等)类似。但U-BOOT还具有一些特有的功能。

◆ 在线读写Flash、DOC、IDE、IIC、EEROM、RTC，其它的BootLoader根本不支持IDE和DOC的在线读写。
◆ 支持串行口kermit和S-record下载代码，U-BOOT本身的工具可以把ELF32格式的可执行文件转换成为 S-record格式，直接从串口下载并执行。
◆ 识别二进制、ELF32、uImage格式的Image，对Linux引导有特别的支持。U-BOOT对Linux 内核进一步封装为uImage。封装如下：
#{CROSS_COMPILE}-objcopy -O binary -R.note -R.comment -S vmlinux \ linux.bin
#gzip -9 linux.bin
#tools/mkimage -A arm -O linux -T kernel -C gzip -a 0xc0008000 -e\
0xc0008000 -n “Linux-2.4.20” -d linux.bin.gz /tftpboot/uImage
即在Linux内核镜像vmLinux前添加了一个特殊的头，这个头在include/image.h中定义，包括目标操作系统的种类(比如Linux，VxWorks等)、目标CPU的体系机构(比如ARM、PowerPC等)、映像文件压缩类型(比如gzip、bzip2等)、加载地址、入口地址、映像名称和映像的生成时间。当系统引导时，U-BOOT会对这个文件头进行CRC校验，如果正确，才会跳到内核执行。如下所示：
WT-ARM9# bootm 0xc1000000
## Checking Image at 0xc100000 ...
Image Name: Linux-2.4.20
Created: 2004-07-02 22:10:11 UTC
Image Type: ARM Linux Kernel Image (gzip compressed)
Data Size: 550196 Bytes = 537 kB = 0 MB
Load Address: 0xc0008000
Entry Point: 0xc0008000
Verifying Checksum ... OK
Uncompressing Kernel Image ……… OK
◆ 单任务软件运行环境。U-BOOT可以动态加载和运行独立的应用程序，这些独立的应用程序可以利用U-BOOT控制台的I/O函数、内存申请和中断服务等。这些应用程序还可以在没有操作系统的情况下运行，是测试硬件系统很好的工具。
◆ 监控(minitor)命令集：读写I/O，内存，寄存器、内存、外设测试功能等
◆ 脚本语言支持(类似BASH脚本)。利用U-BOOT中的autoscr命令，可以在U-BOOT中运行“脚本”。首先在文本文件中输入需要执行的命令，然后用tools/mkimage封装，然后下载到开发板上，用autoscr执行就可以了。